Методика формирования понятия Плазма в школьном курсе физики (стр. 4 из 6)
? Расскажите о понятии коллективные свойства на примере
взаимодействия молекул в воздухе и заряженных частиц в плазме.
? При каких условиях плазму можно считать сплошной средой?
Задача для самостоятельного решения
3.1. Сравните силы гравитационного и электростатического взаимодействия между электроном и протоном. Масса электрона
кг, масса протона 
кг, заряд электрона отрицателен и равен по модулю 
Кл, заряд протона положителен и равен по модулю заряду электрона.§ 4. КВАЗИНЕЙТРАЛЬНОСТЬ ПЛАЗМЫ
Плазма - это материальная среда, образованная коллективом частиц, которые взаимодействуют друг с другом. Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства концентраций электронов и ионов в плазме - ее квазинейтральность. Нарушение квазинейтральности плазмы связано с разделением зарядов, обусловленным смещением группы электронов относительно ионов. Это должно приводить к возникновению электрических полей, которые стремятся скомпенсировать
созданное возмущение и тут же восстановить квазинейтральность. Поля растут с увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут достигать больших значений.
Для оценки напряженности поля, возникающего при нарушении нейтральности плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное разделение зарядов
и внутри этого объема остались только заряды одного знака. Электрическое поле в рассматриваемой области определяется соотношением:
, (4.1)где Х - линейные размеры области смещения. Потенциал плазмы в области разделения зарядов в связи с этим изменится на
, (4.2)Рассмотрим пример. Пусть полностью ионизованная плазма получена из водорода, находящегося при температуре Т = 300 К и давлении 1 мм рт. ст. В каждом кубическом сантиметре такой плазмы будет по
ионов и электронов. Поэтому, если резкое нарушение квазинейтральности произойдет в объеме с характерным размером х, порядка 1 мм, то электрическое поле превзойдет 1012 В / м, и в пределах этого объема возникнет разность потенциалов порядка 109 В. Ясно, что подобное разделение зарядов совершенно нереально. Даже в гораздо более разреженной плазме резкое нарушение квазинейтральности в указанных объемах будет немедленно ликвидироваться возникающими электрическими нолями. Поле будет выталкивать из объема, где произошла декомпенсация зарядов, частицы одного знака и втягивать в эту область частицы противоположного знака. Однако, если выделить в плазме достаточно малый объем, квазинейтральность в нем может и не сохраниться, т.к. поле, созданное избытком частиц одного знака, окажется слишком слабым для того, чтобы существенно повлиять на движение частиц.Итак, квазинейтральность - это приблизительное равенство объемных плотностей положительных и отрицательных зарядов.
? Что такое квазинейтральность?
? Опишите процессы, происходящие в плазме при нарушении ее нейтральности.
? Чем квазинейтральность отличается от истинной нейтральности?
Задачи для самостоятельного решения
4.1. Получите формулу для напряженности и потенциала электрического поля в рассмотренном в параграфе примере.
4.2. Найдите напряженность электрического поля и возникающую разность потенциалов при нарушении квазинейтральности плазмы солнечной короны в объеме с характерным размером 1 м. используя данные, приведенные в «Приложении»
§ 5. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАЗМЫ
Введение величины Т как температуры плазмы оправдано только тогда, когда средняя кинетическая энергия электронов и ионов одинакова. В общем случае в плазме следует различать по меньшей мере две температуры - электронную Тe и ионную Ti. По аналогии с температурой газа, которая вводится по формуле
, можно ввести эти температуры из равенств: 
, 
В плазме, которая создается в лабораторных условиях или в приборах, Te обычно значительно превосходит Тi. Например, оказывается, что
К при 
К. Различие между Te и Тi, обусловлено громадной разницей в массах электрона и иона. Внешние источники электрического питания, с помощью которых создается плазма (при различных формах разряда в газах),передают энергию электронной компоненте плазмы, т.к. именно электроны являются носителями тока. Ионы приобретают тепловую энергию в основном в результате столкновений с быстро движущимися электронами. При таких столкновениях относительная доля кинетической энергии электрона, которая может быть передана иону, не должна превышать
. Средняя доля энергии, передаваемой при столкновении, еще меньше. Поскольку me<<mi, то электрон должен испытать большое количество (тысячи) столкновений для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии. Поскольку параллельно процессам обмена тепловой энергией между электронами и ионами идет процесс приобретения энергии электронами от источников электрического питания и одновременно с этим энергия уходит из плазмы вследствие различных механизмов теплопередачи, при электрическом разряде обычно поддерживается большая разность температур электронов и ионов. Этот перепад, как правило, снижается при увеличении концентрации плазмы, потому что число столкновений между электронами и ионами в заданном объеме плазмы растет пропорционально квадрату концентрации. Итак, такая плазма - это неравновесное, или, как говорят, неизотермическое состояние вещества.Высокотемпературная плазма, возникающая в результате термической ионизации, является равновесной, или изотермической плазмой. Другими словами, изотермическая плазма - это плазма, у которой температуры всех компонент равны. Степень ее ионизации очень велика, благодаря чему она является очень хорошим проводником - проводимость высокотемпературной плазмы сопоставима с проводимостью металлов.
Неизотермической плазмой называется термодинамически неравновесная плазма, в которой средние энергии теплового движения различных сортов частиц (электронов, ионов, атомов) неодинаковы. Такую плазму нельзя охарактеризовать с помощью одного определенного значения температуры. В неизотермической плазме каждый сорт частиц находится в квазиравновесном состоянии со своим значением температуры.
В зависимости от значения ионной температуры различают низкотемпературную плазму (Ti < 105 К) и высокотемпературную плазму
(Ti > 107 К).
? Когда оправдано введение термина температура плазмы?
? Почему оказывается различной ионная и электронная температура?
? Какую плазму называют изотермической?
? В чем заключается особенность неизотермической плазмы?
? Как подразделяют плазму в зависимости от значения ионной
температуры?
? Приведите примеры низкотемпературной и высокотемпературной
плазмы.
Задача для самостоятельного решения
5.1. Вычислите дебаевский радиус экранирования для плазмы гелий-неонового лазера.
§ 6. ВМОРОЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Вмороженность магнитного поля - один из эффектов, характерных для жидких и газообразных сред, обладающих высокой (в идеальном случае - бесконечной) проводимостью СУ и движущихся поперек магнитного поля (например, для жидких металлов и плазмы). В этих условиях силовые линии магнитного поля и частицы среды жестко связаны друг с другом. Можно сказать, что магнитные силовые линии как бы вморожены в среду, перемещаясь вместе с ней.
Вмороженность магнитного поля основана на том, что в идеально проводящей среде индуцируемое ее движением электрическое поле должно быть равно нулю, иначе в соответствии с законом Ома в среде возник бы бесконечный ток, что невозможно. Поэтому в силу закона электромагнитной индукции Фарадея бесконечно проходящая среда не должна пересекать силовые линии магнитного поля. Иначе говоря, магнитный поток Ф = BΔS через поверхность ΔS, опирающуюся на произвольный контур, движущийся вместе со средой, остается постоянным. Сохранение магнитного потока приводит к тому, что движущиеся поперек магнитного поля частицы среды «тянут» за собой силовые линии магнитного поля, которые, таким образом, «вмораживаются» в среду в процессе ее движения. Вмороженность магнитного поля характерна для сред с высоким магнитным числом Рейнолдса: